CC BY
237
Химия растительного сырья. 2010. №2. С. 153-158.
УДК 541.64:547.97
ИЗВЛЕЧЕНИЕ НАТУРАЛЬНЫХ КРАСИТЕЛЕЙ ГИДРОФИЛЬНЫМИ ПОЛИМЕРАМИ
© Е.В. Чурилина1, Я.И. Коренман1, П. Т. Суханов1, В.М. Болотов1, Г.В. Шаталов2
1Воронежская государственная технологическая академия, пр. Революции, 19, Воронеж, 394036 (Россия) E-mail: [email protected]
2Воронежский государственный университет, Университетская площадь, 1, Воронеж, 394693 (Россия)
Для извлечения и концентрирования природных антоцианового и каротиноидного красителей впервые применена экстракция гидрофильными полимерами. Исследовано влияние природы полимера и соли, рН, присутствия алифатических спиртов на эффективность извлечения красителей из водно-солевых растворов и растительного сырья.
Ключевые слова: экстракция, натуральные красители, гидрофильные полимеры.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России» на 2009-2013 гг.
Введение
Применяемые в современной пищевой, косметической и фармацевтической промышленности синтетические красители участвуют в канцерогенезе. Природные антоциановые красители - соединения фенольного типа с высокой биологической и антиоксидантной активностью. Антоцианы выделяются из растительного пищевого сырья и вместе с другими веществами повышают ценность окрашиваемого продукта, придают ему вкус и аромат [1, 2], характеризуются противовоспалительными и противомутагенными свойствами, обеспечивают кардиозащиту, улучшают проницаемость сосудов. Антоциановые красители из выжимок черноплодной рябины и черной смородины бактерицидны и при добавлении в консервы угнетают микрофлору продуктов [3].
Каротиноиды - природные органические пигменты, фотосинтезируемые бактериями, грибами, водорослями и высшими растениями. Идентифицировано около 600 каротиноидов. Они имеют преимущественно желтый, оранжевый или красный цвет, по строению это циклические или ациклические изопреноиды [2].
Каротины нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях, содержатся в листьях всех растений, а также в корнеплодах моркови, плодах шиповника и др., являются провитамином витамина А. Каротины зарегистрированы в качестве пищевой добавки Е160а.
Создание новых и совершенствование известных способов извлечения и концентрирования природных красящих веществ - актуальная технологическая проблема. Известные способы концентрирования натуральных антоциановых и каротиноидных красителей основаны на многократной экстракции органическими растворителями [4].
Системы на основе водорастворимых поли-Ы-винилкапролактама (ПВК), поли-Ы-винилпирролидона (ПВП), полиэтиленгликолей (ПЭГ) применяются в биотехнологии. Основные преимущества таких полимеров - нетоксичность, высокая гидрофильность, способность к комплексообразованию со многими органическими и биологическими объектами [5-7]. Новые экстракционные системы на основе ПВК, ПВП и ПЭГ экологически безопасны, не содержат токсичных растворителей. Их применение расширяет возможности экстракционных методов извлечения и концентрирования натуральных красителей. Экстракция антоциановых и каротиноидных красителей из водных растворов и растительного сырья в системах, содержащих гидрофильные полимеры, ранее не изучалась.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Цель работы - установление закономерностей экстракционного извлечения натуральных красителей из водных сред и растительного сырья с применением гидрофильных полимеров.
Экспериментальная часть
Препараты антоцианового красителя получали экстракцией этанолом при 50-55 °С из ягод черной смородины по известной методике [8].
Препарат каротиноидного красителя извлекали из растительного сырья (корнеплодов моркови красной посевной Daucus sativus).
Применяли ПВП медицинского назначения с молекулярной массой Мш = 1-104 и ПЭГ производства фирмы <^оЬа Chemie» с молекулярной массой Мш = 5,0-103.
Поли-Ы-винилкапролактамы получали радикальной полимеризацией по известной методике [9]. Синтезировали препараты ПВК с молекулярными массами 1-104; 6-104 и 16-104.
Структурные звенья полимеров представлены в таблице 1.
В качестве высаливателей применяли ЫаС1, Таблица 1. Структурные звенья изученных полимеров (ЫН4)^04 и Ыа^04 квалификации х.ч., двух-
фазные водно-органические системы получали в широком диапазоне концентраций полимеров и соли.
Для установления экстракционных характеристик в сосуды с пришлифованными пробками помещали 10 см3 раствора красителя, содержащего высаливатель, добавляли 1 см3 раствора полимера с концентрацией 0,001-6% мас. и экстрагировали на вибросмесителе до достижения межфазного равновесия (3-5 мин).
При изучении влияния гидротропного эф-
фекта на степень извлечения в водно-солевые растворы красителя вводили по 0,5 см растворов алифатического спирта и полимера. Применяли спирты квалификации «чистый», чистоту препаратов контролировали по показателям преломления.
Эффективность экстракционного извлечения красителя оценивали по степени извлечения (Я, %):
R =
Ао _ А
Ао
-100.
где Ао и А - оптические плотности водных растворов красителя до и после экстракции (КФК-2МП, X = 490 нм, толщина светопоглощающего слоя 1 см).
Содержание красного пигмента в антоциановом красителе устанавливали с применением стандартного раствора СоSO4•7Н2О по [4].
Количество каротиноидов в растительном сырье устанавливали по методике [10].
Результаты и их обсуждение
Наличие двух или более несмешивающихся фаз - основное условие жидкостно-жидкостной экстракции. Введение в водный раствор полимера и антоцианового красителя больших количеств хорошо растворимых неорганических солей приводит к уменьшению растворимости полимера и красителя (известный эффект высаливания) [11]. При изучении фазовых равновесий в системах гидрофильный полимер - насыщенный раствор соли установлено [12], что наиболее стабильные двухфазные системы образуются в присутствии (ЫН4)^04 и Ыа^04 или ЫаС1 ( экстракция ПВК).
Изучена зависимость степени извлечения антоцианового красителя из водного раствора от концентрации полимера и природы соли (рис. 1 и 2). Вода в фазе, содержащей сульфат аммония, практически полностью переходит в сольватные сферы иона аммония, ионы Ыа+ гидратируются в меньшей степени [13], поэтому независимо от концентрации полимеров системы с (ЫН4)^04 более эффективны. Так, при однократной экстракции ПВП максимальная степень извлечения красителя достигает 95% (высаливатель - сульфат аммония) и лишь 79% в системах с сульфатом натрия.
Рис. 1. Экстракция антоцианового красителя ПВК (1-3) и ПВП (4, 5) из растворов хлорида натрия (1), сульфата натрия (2, 5), сульфата аммония (3, 4)
Рис. 2. Зависимость степени извлечения антоцианового красителя от содержания ПЭГ в водном растворе, высаливатель - (NH4)2SO4 (1), №2SO4) (2)
В системах с ПВП и ПВК наибольшие степени извлечения красителя установлены при меньших концентрациях полимера, чем в системах, содержащих ПЭГ. Экстракционная эффективность изученных полимеров по отношению к антоциановому красителю изменяется в ряду ПВП > ПВК > ПЭГ. Наличие в молекуле ПВП (ПВК) карбонильной группы с повышенной электронной плотностью приводит к усилению ион-дипольных взаимодействий между функциональными группами полимера с ароматическими группами красителя, поэтому в системе ПВП (ПВК)-высаливатель-краситель достигаются наибольшие степени извлечения. Повышенная комплексообразующая способность ПВП обусловлена содержанием в полимерной цепи звеньев менее стерически нагруженного и содержащего меньше гидрофобных углеводородных фрагментов N-винил-пирролидона по сравнению с N-винилкапролактамом.
Системы с ПЭГ являются менее эффективными, что обусловлено прежде всего строением гетероцепного полимера. Экстракция антоцианового красителя происходит за счет гидрофобных взаимодействий этиленовых групп молекулы ПЭГ с функциональными группами красителя, сила взаимодействий которых, по-видимому, невелика. На УФ-спектрах поглощения систем ПВП-краситель и ПЭГ-краситель обнаружен новый, не специфический для индивидуальных компонентов максимум поглощения при X = 274 нм, что экспериментально подтверждает образование комплексного соединения.
Изучено влияние рН водного раствора на степень извлечения антоцианового красителя из насыщенного раствора ПВК и ПЭГ (рис. 3, 4). Независимо от концентрации ПВК и его молекулярной массы с уменьшением рН степень извлечения красителя существенно снижается. При рН=3,5 степень извлечения красителя достигает 92-95%, при рН=1 не более 77%. При подкислении происходит протонирование группы >С=О [6], что приводит к уменьшению взаимодействий между полимером и красителем и, как следствие, к снижению степени извлечения антоцианового красителя. При экстракции ПЭГ в интервале рН 1-4 степень извлечения красителя практически не изменяется. Так, при содержании в системе 1,67 мас. % ПЭГ извлекается 97 и 94% красителя соответственно при рН 1 и 4. Незначительное влияние рН на степень извлечения объясняется большим вкладом гидрофобных взаимодействий в присутствии ПЭГ. В щелочной среде экстракцию красителя не изучали ввиду его неустойчивости при рН > 7 [14].
Рис. 3. Влияние рН на степень извлечения антоцианового красителя ПВК (Mn = 6-104 ) в присутствии NaCl: рН = 3,5 (1); рН = 1 (2).
Рис. 4. Влияние рН на степень извлечения антоцианового красителя ПЭГ в присутствии высаливателя (NH^SO^ рН=4 (1), рН=3 (2), рН=1 (3)
В отличие от ПВП и ПЭГ поли-Ы-винилкапролактамы характеризуются нижней критической температурой растворения (32-37 °С) [6], поэтому извлечение антоцианового красителя возможно без применения высаливателей. Так, при нагревании водного раствора выше температуры фазового разделения ПВК (33,5 °С) извлекается до 86% красителя. Изучено влияние молекулярной массы ПВК на эффективность извлечения антоцианового красителя (рис. 5). Степень извлечения красителя не зависит от молекулярной массы полимера в интервале 1-104 - 6^104 (рис. 5, линии 2 и 3). Аналогичная закономерность характерна для комплексообразования ПВК с флуоресцентными красителями [6]. При термоосаждении из водных растворов полимера с Мп > 6-104 степень извлечения красителя возрастает. При подкислении растворов перед термоосаждением (рН и 1) степень извлечения красителя также существенно снижается (рис. 5, линия 4).
Для извлечения антоцианового красителя из растительного сырья применяют различные органические растворители, в том числе алифатические спирты [2]. Изучено влияние спиртов (этанол, 1-пропанол, 1-бутанол, 3- метил-1-бутанол) на эффективность экстракционного извлечения антоцианового красителя и образование двухфазной системы (табл. 2).
Рис. 5. Зависимость степени извлечения антоцианового красителя при термоосаждении водного раствора ПВК от содержания полимера:
1 - Mn = 16104 (рН = 3,5); 2 - Mn = 6 104 (рН = 3,5); 3 - Mn = 1104 (рН = 3,5); 4 - Mn = 1104 (рН = 1)
Таблица 2. Зависимость соотношения равновесных объемов водной ^о) и органической ^в) фаз и степени извлечения антоцианового красителя полиэтиленгликолем из растворов сульфатов аммония от присутствия алифатических спиртов в водном растворе
Спирт юПЭГ = 1,67 мас. % юПЭГ = 0,67 мас. %
Ув:Уо Я, % Ув:Уо Я, %
В отсутствие спирта 15:0,4 97 15:0,2 91
Этанол 15:0,5 89 15:0,4 84
1-пропанол 15:1,4 86 15:0,9 76
1-бутанол 15:2,0 88 15:1,5 86
3-метил-1-бутанол 15:1,5 73 15:1,5 67
В присутствии соли аммония независимо от содержания ПЭГ степень извлечения красителя максимальна в отсутствие спиртов. Введение гидрофильного спирта (этанол) понижает степень извлечения красителя с 97 до 89% (сПЭг = 1,67 мас. %) и с 82 до 57% (сПЭГ = 0,67 мас. %), что объясняется известным гидротропным эффектом спирта [15]. При этом объем равновесной органической фазы (^) изменяется несущественно. Возрастание V в системах полимер-1-пропанол и полимер-1-бутанол обусловлено различной растворимостью спиртов в водно-солевом растворе. В ряду изученных спиртов 3-метил-1-бутанол наиболее гидрофобен и, следовательно, в большей степени извлекается образующейся фазой полимера. Координационно активные группы полимера экранируются спиртом, поэтому степень извлечения красителя снижается. Присутствие алифатических спиртов независимо от его гидрофобности и природы полимера нецелесообразно при экстракции антоцианового красителя из водно-солевых растворов.
Таким образом, для практически полного (97%-ного) извлечения антоцианового красителя из водных растворов могут применяться системы с содержанием 0,1 мас. % ПВП (ПВК) и 1,67 мас. % ПЭГ-5000 и 40 мас. % сульфата аммония при рН ~4 или 26,5 мас. % хлорида натрия (в случае ПВК).
Изученные экстракционные системы на основе гидрофильных полимеров применены для извлечения каро-тиноидов из растительного сырья. Способ извлечения осуществляется следующим образом: к измельченному каротиноидсодержащему сырью добавляют водный раствор полимера ПВП (или ПВК) и перемешивают. Раствор отфильтровывают и добавляют насыщенный 40% раствор (ЫН4)^04. В присутствии сульфата аммония полимеры образуют самостоятельную фазу, которая извлекает краситель. Межфазное равновесие достигается в течение 10 мин. Полимерный комплекс с красителем отделяют фильтрованием [15]. Наличие температуры фазового разделения у ПВК позволяет получать концентраты каротиноидного красителя, не содержащие органические реагенты, за счет нагревания водно-полимерных растворов красителя до 32-37 °С.
Полученные концентраты рекомендуются в качестве биологически активных нутриентов при производстве кондитерских изделий, функциональных молочных продуктов, а также для окрашивания некоторых лекарственных препаратов в виде сиропов, капсул, таблеток.
Выводы
Разработаны новые способы извлечения антоцианового и каротиноидного красителей из водных растворов и природных объектов. При однократной экстракции достигается 98-99%-ное извлечение красителей (в форме комплекса с гидрофильным полимером) из водных растворов. Разработанные способы исключают применение органических растворителей и температурную обработку, биологически активные вещества не подвергаются деструкции.
Список литературы
1. Сарафанова Л.А. Пищевые добавки: энциклопедия. СПб., 2003. 688 с.
2. Болотов В.М., Нечаев А. П. Пищевые красители // Пищевые ингредиенты. Сырье и добавки. 2001. №1. С. 4-11.
3. Танчев С.С. Антоцианы в плодах и овощах. М., 1980. 304 с.
4. Харламова О.А., Кафка Б.В. Натуральные пищевые красители. М., 1979. 192 с.
5. Химическая энциклопедия / ред. И.Л. Кнунянц. М., 1998. Т. 1. 625 с.
6. Кирш Ю.Э. Поли-Ы-винилпирролидон и другие поли-Ы-виниламиды. М., 1998. 252 с.
7. Сидельковская Ф.П. Химия Ы-винилпирролидона и его полимеров. М., 1970. 150 с.
8. Патент 2228344 РФ. Способ получения антоцианового красителя из плодового сырья / А.П. Один, А.Д. Хайрутдинова, В.М. Болотов // БИ. 2004. №13. С. 53.
9. Чурилина Е.В., Шаталов Г.В., Коренман Я.И., Суханов П.Т., Шаталов Г.В. Свойства водных растворов полимеров на основе N-винилкапролактама, содержащих антоциановый краситель // Вестник ВГУ: Сер: Химия. Биология. Фармация. 2007. №2. С. 56-58.
10. Жеребцов Н.А., Григоров В.С., Корнеева О.С., Спивакова Л.В. Лабораторный практикум по биохимии. Воронеж, 2000. 140 с.
11. Соловкин А.С. Высаливание и количественное описание экстракционных равновесий. М., 1969. 124 с.
12. Мокшина Н.Я. Экстракция аминокислот и витаминов. Воронеж, 2007. 246 с.
13. Коренман И.М. Экстракция в анализе органических веществ. М., 1977. 200 с.
14. Нечаев А.П., Болотов В.М., Сарафанова Л.А. Пищевые красители. Классификация, свойства, анализ, применение. СПб., 2008. 240 с.
15. Патент 2358997 РФ. Способ извлечения каротиноидов из растительного сырья / Е.В. Чурилина, П.Т. Суханов, Я.И. Коренман, В.М. Болотов, Г.В. Шаталов // БИ. 2009. №17. С. 60.
Поступило в редакцию 23 июня 2009 г.
После переработки 4 марта 2010 г.
